电石制备清洁生产和工程化研究进展.docx

电石制备清洁生产和工程化研究进展 我国“富煤贫油少气”的能源结构决定了煤化工是我国化工领域中的重要组成部分。电石作为制备乙炔的关键原料，使煤制电石工艺成为我国煤化工领域中的重要一环。同时我国也是世界上最大的电石生产国和消费国，产能产量均占世界总量的90%以上，2019年我国电石产量为2122.6万吨1 氧热法煤制电石技术研究进展1.1 氧热法煤制电石技术电石（碳化钙，CaC电石生产方法主要有电热法和氧热法。电热法是工业上最先开发且应用最广的电石制备工艺，技术比较成熟。其原理为石灰石和焦炭（兰炭）在电弧产生的2000℃高温移动床反应器内发生反应，生成熔融态的电石（CaC氧热法制备电石以原煤、含钙原料（CaCO氧热法制备电石的工艺路线与电热法并无二致，其区别在于对制备电石的化学反应供能方式上，电热法是用电极产生电弧制造高温条件，而氧热法则是直接通过燃煤为熔炼电石提供热量。氧热法的能量利用模式降低了原料消耗和能量消耗，并提高了能量的利用效率，尾气能够经过处理后实现超低排放，因此成为电石生产发展的新趋势。1.2氧热法煤制电石技术国内外研究现状近年来国外对于煤制电石的研究相对较少，主要是因为西方发达国家自20世纪70年代以后，逐渐使用廉价的石油乙烯代替乙炔进行化工生产，使得高能耗高污染的电石生产迅速减少，从而转向进口以满足其国内电石需求。而我国煤炭资源丰富，适合发展以煤为原料制取电石再制取乙炔的工艺过程。国外对氧热法煤制电石工艺研究始于1950年，德国巴斯夫公司(BASF)开始研发氧热法电石生产技术，尽管中试成功证明了氧热法工艺的可行性但后因石油价格下跌而终止了研发。该工艺虽然与电热法相比能量利用率提高了30%，但仍存在反应器结构不理想、原料要求高、电石炉尾气后续利用困难等问题国内对于氧热法煤制电石的系统研究始于2011年。北京化工大学的刘振宇团队氧热法制电石工艺对电石炉提出了极高的要求。由于煤制电石反应温度极高，故对电石炉高温区材料的性能要求较高，且反应温度与物料温度相差极大，而原料在不同状态下的体积、温度均不同，为保持生产的连续性和稳定性，需要根据生产要求在电石炉选型与参数设计（包括炉体高径比、炉腹角、炉缸直径、炉腰直径等）进行定制计算，再根据实际工况对炉型参数进行改进，从而确定电石炉的最佳设计参数中国五环工程公司为了优化下落床反应器的预热区温度场分布，提升预热区温度，研究人员从结构设计和数值模拟两方面对反应器进行了研究。刘振宇团队1.3氧热法工艺路线的局限性尽管氧热法在资源集约、绿色环保等方面的性能均优于传统的电热法，但目前工业上在生产电石时仍是采用电热法进行生产。主要原因有两点，一是目前工业上电热法电石生产已形成产业化且电石企业规模与实力层次不齐，中小型企业改建生产线并不现实。二是目前氧热法仍处于实验中试阶段，技术上不及电热法成熟。氧热法存在的主要问题包括以下几个方面。（1）氧热法电石炉尾气中的主要成分为具有较高利用价值且热能品位较高的CO，若直接点燃排空会造成极大的能源浪费，这对氧热法后续工艺提出了较高的要求，目前配套工艺尚不成熟。（2）氧热法电石炉反应器设计与材料选择仍有很大的优化空间。现存的氧热法电石炉反应器大多是在高炉炼铁反应器上加以改造的，少数自主设计的反应器也都存在传热传质性能不尽如人意的局限，未能与制备电石过程契合从而达到最大的原子收率。（3）氧热法制电石过程中若考虑优先提高燃煤供热效率会倾向煤粉进料的方式，提高煤氧接触面积使燃烧更充分，而煤的粒径过小不利于电石的生成，会造成煤以飞灰的形式浪费。目前针对氧热法制电石的最优进料模式仍在进一步的探索之中。2煤制电石多联产技术煤基电石多联产系统并不是简单地将各种转化反应直接堆叠，而是从整体最优的角度出发，将能源、环境、经济三方面因素综合考虑，以大幅度提高煤炭资源转换率，提高经济效益的同时以环境友好为目标，打破行业界限，最终充分发挥增值效应，实现最小污染、最优效益、煤炭资源转化率最大化的效果，将煤的单一利用模式转化为综合利用模式。能值分析法、层次分析法、热经济学分析法是多联产系统的三种主要分析方法。能值分析法为不同联产系统的评价提供了统一的评判标准，对不同能量形式提供了统一评价指标；层次分析法是将复杂系统中多种影响因素之间的关系和程度进行适当简化，为系统分析提供了更加简洁直观的分析思路；热经济学法根据工艺产品成本制定系统优化方案，并从技术经济的角度判断方案是否可行电热法煤制电石的尾气体量小，且以CO煤制电石多联产针对富含CO的氧热法电石炉高温尾气进行回收利用的方式可以分为动力多联产、化工多联产、混合多联产。电石炉尾气组成如表1所示电石-动力多联产是指把原本各自独立的发电和电石生